CN105226503A - 一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料及其制备方法，包括In_xGa_1-xAs材料层及GaAs_1-yBi_y材料层，其中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。本发明通过在生长铟镓砷/砷化镓（InGaAs/GaAs）量子阱材料的垒层GaAs中加入少量铋元素，利用铋元素引起的带隙收缩效应实现材料发光波长的红移，通过调节铋元素和铟元素的组分以及量子阱的厚度可以有效调控材料发光波长范围，获得近红外波段室温光致发光光谱。铋元素的掺入可以改善材料的发光质量、提高激光器的特征温度。有效地解决现有通信波段GaAs基激光器材料的晶体质量与发光波长的问题。本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料可以用常规的固态或气态分子束外延、金属有机物化学气相沉积和原子层沉积等方法生长，操作工艺简单、易控。

Description

一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体光电材料制备领域，特别涉及一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料及其制备方法。

背景技术

随着互联网的飞速发展，信息呈现爆炸式的增长，作为主要传输网络的光纤通信系统必须向着更大的传输容量和更远的传输距离发展。信号的色散、衰减和非线性效应是影响光纤传输系统性能的主要因素。光纤通信系统中1.3μm的光在信息传输过程中色散最小，国际电信联盟所规定的G.652光纤称为标准单模光纤，是指零色散波长在1.3μm窗口的单模光纤。因此，发展1.3μm工作的激光器具有重要的实际应用意义和商用价值。

目前，光纤通信系统中所使用的半导体激光器产品主要以InGaAsP/InP体系最为成熟，InGaAsP与InP虽然晶格完全匹配，可实现1.3和1.55μm的发光波长，但是InP和InGaAsP导带带阶较小，载流子束缚能力差，使得阈值电流较高，温度稳定性较差，必须采用制冷装置恒温，能耗和成本很高。而采用GaAs基的半导体激光器则有望解决上述问题。GaAs基材料体系普遍具有较大的带隙失配，对载流子限制能力更强，有望获得非制冷半导体激光器。同时，InP衬底价格昂贵、易碎，不利于降低激光器成本，GaAs衬底则在材料质量、成本上都有更大的优势。在GaAs基近红外激光器材料中，InGaAs/GaAs材料体系的激射波长在0.9-1.25μm，通过调节In的组分可以拓展发光波长，但In组分过大会在材料中引入较大的晶格失配，降低晶体质量。目前GaAs基上实现长波长的方法主要有：(1)InAs量子点激光器，用这种方法可以实现1.3μm工作的激光器；(2)InGaNAs量子阱激光器可以实现1.3和1.55μm激光器，但N的引入会导致材料光学质量的急剧下降，器件工作电流相对较高；(3)GaAsSb/GaAs体系虽可以实现1.3和1.55μm的发光，但是GaAsSb和GaAs的导带带阶较小，电子限制能力较差。同时II型发光使得激射波长和效率对于注入电流非常敏感。为了进一步拓展发光波长至通信窗口，有必要发展一种新的半导体材料。

近年来，稀铋半导体材料由于其独特的材料性能而引起了国际上广泛的关注。人们发现，在III-V族材料中掺入少量的Bi元素后，Bi原子能级与母体材料的价带发生相互作用，产生价带反交叉效应，减小材料的禁带宽度，例如GaAs中每掺入1％的Bi元素，材料禁带宽度可降低84-88meV；InAs中每掺入1％的Bi元素，材料禁带宽度可降低42-55meV；InSb中每掺入1％的Bi元素，材料禁带宽度可降低36meV；同时Bi元素的掺入可增大材料的自旋轨道分裂，从而抑制俄歇复合效应，减小热损耗，提高器件的工作温度；Bi元素在III-V族材料的生长中还具有表面活化剂的作用，有利于形成更平整的界面，改善材料的光学性能；此外，人们还发现GaAsBi材料的禁带宽度对温度依赖度远小于GaAs以及InGaAsP材料，例如铋组分在1.9-5％范围内的GaAsBi材料，禁带宽度温度系数约为0.1-0.4meV/K，低于GaAs的0.56meV/K。因此，稀铋材料可以有效的扩展III-V族材料的发光波长，减小俄歇复合，提高器件的工作温度，是制备通信激光器的理想材料。

发明内容

本发明提出了一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料及其制备方法，用于解决现有技术中的半导体材料的发光波长难以拓展至通信窗口的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料包括In_xGa_1-xAs材料层及GaAs_1-yBi_y材料层，其中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的一种优选方案，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料包括至少一个由In_xGa_1-xAs材料层及GaAs_1-yBi_y材料层形成的In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs等宽对称双量子阱材料结构；其中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的一种优选方案，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料包括至少一个由In_xGa_1-xAs材料层及GaAs_1-yBi_y材料层形成的In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y非对称量子阱材料结构；其中，0<x≤0.4，0<y≤0.15。

作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的一种优选方案，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料包括至少一个由In_xGa_1-xAs材料层及GaAs_1-yBi_y材料层形成的GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y不等宽双量子阱材料结构；其中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的一种优选方案，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料还包括衬底、缓冲层及GaAs帽层；

所述缓冲层位于所述衬底的表面上，且位于所述量子阱材料结构的底部；

所述GaAs帽层位于所述量子阱材料结构的顶部。

本发明还提供一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法包括以下步骤：

1)设置Ga炉温度为900℃～1100℃，In炉温度为700℃～1000℃，Bi炉温度为400℃～600℃，AsH₃压强为500Torr～1000Torr；

2)打开Ga炉挡板和AsH₃阀门，在GaAs衬底上生长一层所需厚度的GaAs缓冲层，衬底温度为500℃～700℃；

3)关闭Ga炉挡板；

4)在AH₃阀门打开的前提下，将衬底温度设为300℃～500℃；

5)同时打开In和Ga的挡板，生长所需厚度的In_xGa_1-xAs材料层；

6)关闭In和Ga的挡板，将AsH₃的压强设为100Torr～500Torr；

7)同时打开Ga和Bi的挡板，生长所需厚度的GaAs_1-yBi_y材料层；

8)关闭Ga和Bi的挡板，将AsH₃的压强设为500Torr～1000Torr；

9)同时打开In和Ga的挡板，生长所需厚度的In_xGa_1-xAs材料层；

10)关闭In和Ga的挡板，在AsH₃阀门打开的前提下将衬底温度设为500℃～700℃；

11)打开Ga的挡板，生长一层所需厚度的GaAs帽层；

12)关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。

作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法的一种优选方案，步骤9)与步骤10)之间还包括周期性重复步骤6)～步骤9)n次的步骤，其中n为大于等于1的整数。

作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法的一种优选方案，所述制备方法制得的In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs等宽对称双量子阱材料结构中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

本发明还提供一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法包括以下步骤：

1)设置Ga炉温度为900℃～1100℃，In炉温度为700℃～1000℃，Bi炉温度为400℃～600℃，AsH₃压强为500Torr～1000Torr；

2)打开Ga炉挡板和AsH₃阀门，在GaAs衬底上生长一层所需厚度的GaAs缓冲层，衬底温度为500℃～700℃；

3)关闭Ga炉挡板；

4)在AH₃阀门打开的前提下，将衬底温度设为300℃～500℃；

5)同时打开In和Ga的挡板，生长所需厚度的In_xGa_1-xAs材料层；

6)关闭In和Ga的挡板，将AsH3的压强设为100Torr～500Torr；

7)同时打开Ga和Bi的挡板，生长所需厚度的GaAs_1-yBi_y材料层；

8)关闭Ga和Bi的挡板，将AsH₃的压强设为500Torr～1000Torr，将衬底温度设为500℃～700℃；

9)打开Ga的挡板，生长一层所需厚度的GaAs帽层；

10)关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。

作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法的一种优选方案，步骤8)与步骤9)之间还包括周期性重复步骤4)～步骤8)n次的步骤，其中n为大于等于1的整数。

作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法的一种优选方案，所述制备方法制得的In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y非对称量子阱材料结构中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

本发明还提供一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法包括以下步骤：

1)设置Ga炉温度为900℃～1100℃，In炉温度为700℃～1000℃，Bi炉温度为400℃～600℃，AsH₃压强为500Torr～1000Torr；

2)打开Ga炉挡板和AsH₃阀门，在GaAs衬底上生长一层所需厚度的GaAs缓冲层，衬底温度为500℃～700℃；

3)关闭Ga炉挡板；

4)在AH₃阀门打开的前提下，将衬底温度设为300℃～500℃；

5)将AsH₃的压强设为100Torr～500Torr，同时打开Ga和Bi的挡板，生长所需厚度的GaAs_1-yBi_y材料层；

6)关闭Ga和Bi的挡板，将AsH₃的压强设为500Torr～1000Torr；

7)同时打开In和Ga的挡板，生长所需厚度的In_xGa_1-xAs材料层；

8)关闭In和Ga的挡板，将AsH₃的压强设为100Torr～500Torr；

9)同时打开Ga和Bi的挡板，生长所需厚度的GaAs_1-yBi_y材料层；

10)关闭Ga和Bi的挡板，将衬底温度设为500℃～700℃，AsH₃的压强设为500Torr～1000Torr

11)打开Ga的挡板，生长一层所需厚度的GaAs帽层；

12)关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。

作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法的一种优选方案，步骤9)与步骤10)之间还包括周期性重复步骤6)～步骤9)n次的步骤，其中n为大于等于1的整数。

作为本发明的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法的一种优选方案，所述制备方法制得的GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y不等宽双量子阱材料结构中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

本发明的一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料及其制备方法的有益效果为：本发明通过在生长铟镓砷/砷化镓(InGaAs/GaAs)量子阱材料的垒层GaAs中加入少量铋元素，利用铋元素引起的带隙收缩效应实现材料发光波长的红移，通过调节铋元素和铟元素的组分以及量子阱的厚度可以有效调控材料发光波长范围，获得近红外波段室温光致发光光谱。同时，铋元素的掺入可以改善材料的发光质量、提高激光器的特征温度。有效地解决现有通信波段GaAs基激光器材料的晶体质量与发光波长的问题。本发明所述的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料可以用常规的固态或气态分子束外延、金属有机物化学气相沉积和原子层沉积等方法生长，操作工艺简单、易控。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的结构示意图。

图2显示为本发明实施例一中提供的GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y双量子阱材料结构的能带示意图。

图3显示为本发明实施例一中提供的GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y双量子阱材料结构的室温光致发光光谱。

图4显示为本发明实施例二中提供的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的结构示意图。

图5显示为本发明实施例二中提供的In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y量子阱材料结构的能带示意图。

图6显示为本发明实施例三中提供的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的结构示意图。

图7显示为本发明实施例三中提供的GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y双量子阱材料结构的能带示意图。

元件标号说明

10衬底

20缓冲层

30In_xGa_1-xAs材料层

40GaAs_1-yBi_y材料层

50GaAs帽层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料包括至少一层In_xGa_1-xAs材料层及至少一层GaAs_1-yBi_y材料层，其中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

实施例一

请参阅图1，本发明提供一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料包括至少一个由In_xGa_1-xAs材料层30及GaAs_1-yBi_y材料层40形成的In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs等宽对称双量子阱材料结构；其中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

作为示例，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料还包括衬底10、缓冲层20及GaAs帽层50；所述缓冲层20位于所述衬底10的表面上，且位于所述量子阱材料结构的底部；所述GaAs帽层50位于所述量子阱材料结构的顶部；即所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料由下至上依次包括所述衬底10、所述缓冲层20、所述In_xGa_1-xAs材料层30、所述GaAs_1-yBi_y材料层40、所述In_xGa_1-xAs材料层30及所述GaAs帽层50。

以下为采用气态分子束外延技术在GaAs衬底上制备上述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的主要步骤：

1)设置Ga炉温度为900℃～1100℃，In炉温度为700℃～1000℃，Bi炉温度为400℃～600℃，AsH₃压强为500Torr～1000Torr；

2)打开Ga炉挡板和AsH₃阀门，在GaAs衬底上生长一层所需厚度的GaAs缓冲层，衬底温度为500℃～700℃；

3)关闭Ga炉挡板；

4)在AH₃阀门打开的前提下，将衬底温度设为300℃～500℃；

5)同时打开In和Ga的挡板，生长所需厚度的In_xGa_1-xAs材料层；

6)关闭In和Ga的挡板，将AsH₃的压强设为100Torr～500Torr；

7)同时打开Ga和Bi的挡板，生长所需厚度的GaAs_1-yBi_y材料层；

8)关闭Ga和Bi的挡板，将AsH₃的压强设为500Torr～1000Torr；

9)同时打开In和Ga的挡板，生长所需厚度的In_xGa_1-xAs材料层；

10)关闭In和Ga的挡板，在AsH₃阀门打开的前提下将衬底温度设为500℃～700℃；

11)打开Ga的挡板，生长一层所需厚度的GaAs帽层；

12)关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。

作为示例，步骤9)与步骤10)之间还包括周期性重复步骤6)～步骤9)n次的步骤，其中n为大于等于1的整数，以得到多层In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs等宽对称双量子阱材料结构。

以下通过具体实施例说明Bi元素的百分比为3.5％和In元素的百分比为20.5％的InGaAs/GaAsBi/InGaAs等宽对称双量子阱材料结构(即In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs等宽对称双量子阱材料结构中x＝0.205，y＝0.035)及其制备方法，以实现1.1μm(1.127eV)的红外发光：

1)设置Ga炉温度为1036℃，In炉温度为817℃，Bi炉温度为531℃，AsH₃压强为650Torr；

2)打开Ga炉挡板和AsH₃阀门，在GaAs衬底上生长一层厚度为100nm的GaAs缓冲层，衬底温度为635℃；

3)关闭Ga炉挡板；

4)在AH₃阀门打开的前提下，将衬底温度设为415℃；

5)同时打开In和Ga的挡板，生长厚度为8nm的In_xGa_1-xAs材料层；

6)关闭In和Ga的挡板，将AsH₃的压强设为300Torr；

7)同时打开Ga和Bi的挡板，生长厚度为8nm的GaAs_1-yBi_y材料层；

8)关闭Ga和Bi的挡板，将AsH₃的压强设为650Torr；

9)同时打开In和Ga的挡板，生长厚度为8nm的In_xGa_1-xAs材料层；

10)关闭In和Ga的挡板，在AsH₃阀门打开的前提下将衬底温度设为635℃；

11)打开Ga的挡板，生长一层厚度为100nm的GaAs帽层；

12)关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。

通过以上所述方法获得Bi元素的百分比为3.5％的InGaAs/GaAsBi/InGaAs等宽对称双量子阱材料结构，该材料具有强的室温光致发光谱，如图3所示，高能量峰位在1.13eV，低能量峰位在1.22eV，与图2中理论计算符合，低能量峰位要低于InGaAs和GaAsBi的禁带宽度，体现了本发明拓展红外发光波长的优势。

实施例二

请参阅图4，本发明提供还一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料包括至少一个由In_xGa_1-xAs材料层及GaAs_1-yBi_y材料层形成的In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y非对称量子阱材料结构；其中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

作为示例，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料还包括衬底10、缓冲层20及GaAs帽层50；所述缓冲层20位于所述衬底10的表面上，且位于所述量子阱材料结构的底部；所述GaAs帽层50位于所述量子阱材料结构的顶部；即所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料由下至上依次包括所述衬底10、所述缓冲层20、所述In_xGa_1-xAs材料层30、所述GaAs_1-yBi_y材料层40及所述GaAs帽层50。

以下为采用气态分子束外延技术在GaAs衬底上制备上述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的主要步骤：

1)设置Ga炉温度为900℃～1100℃，In炉温度为700℃～1000℃，Bi炉温度为400℃～600℃，AsH₃压强为500Torr～1000Torr；

2)打开Ga炉挡板和AsH₃阀门，在GaAs衬底上生长一层所需厚度的GaAs缓冲层，衬底温度为500℃～700℃；

3)关闭Ga炉挡板；

4)在AH₃阀门打开的前提下，将衬底温度设为300℃～500℃；

5)同时打开In和Ga的挡板，生长所需厚度的In_xGa_1-xAs材料层；

6)关闭In和Ga的挡板，将AsH3的压强设为100Torr～500Torr；

7)同时打开Ga和Bi的挡板，生长所需厚度的GaAs_1-yBi_y材料层；

8)关闭Ga和Bi的挡板，将AsH₃的压强设为500Torr～1000Torr，将衬底温度设为500℃～700℃；

9)打开Ga的挡板，生长一层所需厚度的GaAs帽层；

10)关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。

作为示例，步骤8)与步骤9)之间还包括周期性重复步骤4)～步骤8)n次的步骤，其中n为大于等于1的整数，以得到多层In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y非对称量子阱材料结构。

以下通过具体实施例说明Bi元素的百分比为4.7％和In元素的百分比为30％的InGaAs/GaAsBi非对称量子阱材料结构(即In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi非对称量子阱材料结构中x＝0.3，y＝0.047)及其制备方法，以实现1.3μm(0.954eV)的红外发光：

1)设置Ga炉温度为1036℃，In炉温度为877℃，Bi炉温度为567℃，AsH₃压强为650Torr；

2)打开Ga炉挡板和AsH₃阀门，在GaAs衬底上生长一层厚度为100nm的GaAs缓冲层，衬底温度为635℃；

3)关闭Ga炉挡板；

4)在AH₃阀门打开的前提下，将衬底温度设为415℃；

5)同时打开In和Ga的挡板，生长厚度为8nm的In_xGa_1-xAs材料层；

6)关闭In和Ga的挡板，将AsH3的压强设为300Torr；

7)同时打开Ga和Bi的挡板，生长厚度为8nm的GaAs_1-yBi_y材料层；

8)关闭Ga和Bi的挡板，将AsH₃的压强设为650Torr，将衬底温度设为635℃；

9)打开Ga的挡板，生长一层厚度为100nm的GaAs帽层；

10)关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。

通过以上方法获得的Bi元素的百分比为4.7％的InGaAs/GaAsBi非对称量子阱材料结构的能带示意图如图5所示。

实施例三

请参阅图6，本发明还提供一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料包括至少一个由In_xGa_1-xAs材料层30及GaAs_1-yBi_y材料层40形成GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y不等宽双量子阱材料结构；其中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

作为示例，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料还包括衬底10、缓冲层20及GaAs帽层50；所述缓冲层20位于所述衬底10的表面上，且位于所述量子阱材料结构的底部；所述GaAs帽层50位于所述量子阱材料结构的顶部；即所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料由下至上依次包括所述衬底10、所述缓冲层20、GaAs_1-yBi_y材料层40、所述In_xGa_1-xAs材料层30、GaAs_1-yBi_y材料层40及所述GaAs帽层50。

以下为采用气态分子束外延技术在GaAs衬底上制备上述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的主要步骤：

1)设置Ga炉温度为900℃～1100℃，In炉温度为700℃～1000℃，Bi炉温度为400℃～600℃，AsH₃压强为500Torr～1000Torr；

2)打开Ga炉挡板和AsH₃阀门，在GaAs衬底上生长一层所需厚度的GaAs缓冲层，衬底温度为500℃～700℃；

3)关闭Ga炉挡板；

4)在AH₃阀门打开的前提下，将衬底温度设为300℃～500℃；

5)将AsH₃的压强设为100Torr～500Torr，同时打开Ga和Bi的挡板，生长所需厚度的GaAs_1-yBi_y材料层；

6)关闭Ga和Bi的挡板，将AsH₃的压强设为500Torr～1000Torr；

7)同时打开In和Ga的挡板，生长所需厚度的In_xGa_1-xAs材料层；

8)关闭In和Ga的挡板，将AsH₃的压强设为100Torr～500Torr；

9)同时打开Ga和Bi的挡板，生长所需厚度的GaAs_1-yBi_y材料层；

10)关闭Ga和Bi的挡板，将衬底温度设为500℃～700℃，AsH₃的压强设为500Torr～1000Torr

11)打开Ga的挡板，生长一层所需厚度的GaAs帽层；

12)关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。

作为示例，步骤9)与步骤10)之间还包括周期性重复步骤6)～步骤9)n次的步骤，其中n为大于等于1的整数，以得到多GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y不等宽双量子阱材料结构。

以下通过具体实施例说明Bi元素的百分比为7％和In元素的百分比为30％的GaAsBi/InGaAs/GaAsBi不等宽双量子阱材料结构(即In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi不等宽双量子阱材料结构中x＝0.3，y＝0.07)及其制备方法，以实现1.55μm(0.8eV)的红外发光：

1)设置Ga炉温度为1036℃，In炉温度为877℃，Bi炉温度为592℃，AsH₃压强为650Torr；

2)打开Ga炉挡板和AsH₃阀门，在GaAs衬底上生长一层厚度为100nm的GaAs缓冲层，衬底温度为635℃；

3)关闭Ga炉挡板；

4)在AH₃阀门打开的前提下，将衬底温度设为415℃；

5)将AsH₃的压强设为300Torr，同时打开Ga和Bi的挡板，生长厚度为10nm的GaAs_1-yBi_y材料层；

6)关闭Ga和Bi的挡板，将AsH₃的压强设为650Torr；

7)同时打开In和Ga的挡板，生长厚度为4nm的In_xGa_1-xAs材料层；

8)关闭In和Ga的挡板，将AsH₃的压强设为300Torr；

9)同时打开Ga和Bi的挡板，生长厚度为10nm的GaAs_1-yBi_y材料层；

10)关闭Ga和Bi的挡板，将衬底温度设为635℃，AsH₃的压强设为650Torr

11)打开Ga的挡板，生长一层厚度为100nm的GaAs帽层；

12)关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。

通过以上方法获得的Bi元素的百分比为7％的InGaAs/GaAsBi非对称量子阱材料结构的能带示意图如图7所示。

综上所述，本发明提供一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料及其制备方法，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料包括In_xGa_1-xAs材料层及GaAs_1-yBi_y材料层，其中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。本发明通过在生长铟镓砷/砷化镓(InGaAs/GaAs)量子阱材料的垒层GaAs中加入少量铋元素，利用铋元素引起的带隙收缩效应实现材料发光波长的红移，通过调节铋元素和铟元素的组分以及量子阱的厚度可以有效调控材料发光波长范围，获得近红外波段室温光致发光光谱。同时，铋元素的掺入可以改善材料的发光质量、提高激光器的特征温度。有效地解决现有通信波段GaAs基激光器材料的晶体质量与发光波长的问题。本发明所述的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料可以用常规的固态或气态分子束外延、金属有机物化学气相沉积和原子层沉积等方法生长，操作工艺简单、易控。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料，其特征在于，所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料包括In_xGa_1-xAs材料层及GaAs_1-yBi_y材料层，其中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

2.根据权利要求1所述的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料，其特征在于：所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料包括至少一个由In_xGa_1-xAs材料层及GaAs_1-yBi_y材料层形成的In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs等宽对称双量子阱材料结构；其中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

3.根据权利要求1所述的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料，其特征在于：所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料包括至少一个由In_xGa_1-xAs材料层及GaAs_1-yBi_y材料层形成的In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y非对称量子阱材料结构；其中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

4.根据权利要求1所述的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料，其特征在于：所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料包括至少一个由In_xGa_1-xAs材料层及GaAs_1-yBi_y材料层形成的GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y不等宽双量子阱材料结构；其中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料，其特征在于：所述基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料还包括衬底、缓冲层及GaAs帽层；

所述缓冲层位于缓冲层位于所述衬底的表面上，且位于所述量子阱材料结构的底部；

所述GaAs帽层位于所述量子阱材料结构的顶部。

6.一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设置Ga炉温度为900℃～1100℃，In炉温度为700℃～1000℃，Bi炉温度为400℃～600℃，AsH₃压强为500Torr～1000Torr；

2)打开Ga炉挡板和AsH₃阀门，在GaAs衬底上生长一层所需厚度的GaAs缓冲层，衬底温度为500℃～700℃；

3)关闭Ga炉挡板；

4)在AH₃阀门打开的前提下，将衬底温度设为300℃～500℃；

5)同时打开In和Ga的挡板，生长所需厚度的In_xGa_1-xAs材料层；

6)关闭In和Ga的挡板，将AsH₃的压强设为100Torr～500Torr；

7)同时打开Ga和Bi的挡板，生长所需厚度的GaAs_1-yBi_y材料层；

8)关闭Ga和Bi的挡板，将AsH₃的压强设为500Torr～1000Torr；

9)同时打开In和Ga的挡板，生长所需厚度的In_xGa_1-xAs材料层；

10)关闭In和Ga的挡板，在AsH₃阀门打开的前提下将衬底温度设为500℃～700℃；

11)打开Ga的挡板，生长一层所需厚度的GaAs帽层；

12)关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。

7.根据权利要求6所述的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法，其特征在于：步骤9)与步骤10)之间还包括周期性重复步骤6)～步骤9)n次的步骤，其中n为大于等于1的整数。

8.根据权利要求6或7所述的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法制得的In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs等宽对称双量子阱材料结构中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

9.一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设置Ga炉温度为900℃～1100℃，In炉温度为700℃～1000℃，Bi炉温度为400℃～600℃，AsH₃压强为500Torr～1000Torr；

2)打开Ga炉挡板和AsH₃阀门，在GaAs衬底上生长一层所需厚度的GaAs缓冲层，衬底温度为500℃～700℃；

3)关闭Ga炉挡板；

4)在AH₃阀门打开的前提下，将衬底温度设为300℃～500℃；

5)同时打开In和Ga的挡板，生长所需厚度的In_xGa_1-xAs材料层；

6)关闭In和Ga的挡板，将AsH₃的压强设为100Torr～500Torr；

7)同时打开Ga和Bi的挡板，生长所需厚度的GaAs_1-yBi_y材料层；

8)关闭Ga和Bi的挡板，将AsH₃的压强设为500Torr～1000Torr，将衬底温度设为500℃～700℃；

9)打开Ga的挡板，生长一层所需厚度的GaAs帽层；

10)关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。

10.根据权利要求9所述的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法，其特征在于：步骤8)与步骤9)之间还包括周期性重复步骤4)～步骤8)n次的步骤，其中n为大于等于1的整数。

11.根据权利要求9或10所述的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法制得的In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y非对称量子阱材料结构中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。

12.一种基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设置Ga炉温度为900℃～1100℃，In炉温度为700℃～1000℃，Bi炉温度为400℃～600℃，AsH₃压强为500Torr～1000Torr；

2)打开Ga炉挡板和AsH₃阀门，在GaAs衬底上生长一层所需厚度的GaAs缓冲层，衬底温度为500℃～700℃；

3)关闭Ga炉挡板；

4)在AH₃阀门打开的前提下，将衬底温度设为300℃～500℃；

5)将AsH₃的压强设为100Torr～500Torr，同时打开Ga和Bi的挡板，生长所需厚度的GaAs_1-yBi_y材料层；

6)关闭Ga和Bi的挡板，将AsH₃的压强设为500Torr～1000Torr；

7)同时打开In和Ga的挡板，生长所需厚度的In_xGa_1-xAs材料层；

8)关闭In和Ga的挡板，将AsH₃的压强设为100Torr～500Torr；

9)同时打开Ga和Bi的挡板，生长所需厚度的GaAs_1-yBi_y材料层；

10)关闭Ga和Bi的挡板，将衬底温度设为500℃～700℃，AsH₃的压强设为500Torr～1000Torr

11)打开Ga的挡板，生长一层所需厚度的GaAs帽层；

12)关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。

13.根据权利要求12所述的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法，其特征在于：步骤9)与步骤10)之间还包括周期性重复步骤6)～步骤9)n次的步骤，其中n为大于等于1的整数。

14.根据权利要求12或13所述的基于铋元素的GaAs基室温红外发光材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法制得的GaAs_1-yBi_y/In_xGa_1-xAs/GaAs_1-yBi_y不等宽双量子阱材料结构中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。